電動(dòng)負(fù)載模擬器廣義連接剛度測試系統(tǒng)研究

摘 要：為提高電動(dòng)負(fù)載模擬器的動(dòng)態(tài)性能和加載精度，針對廣義連接剛度對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、加載精度和穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)一種廣義連接剛度測試系統(tǒng)，在構(gòu)建系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣義連接剛度的計(jì)算方法及影響因素，提出一種通過調(diào)整彈性桿剛度確定最佳廣義連接剛度的方法，并對多余力矩、機(jī)械諧振、動(dòng)態(tài)特性等影響因素及最佳廣義連接剛度進(jìn)行定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：測試系統(tǒng)功能完善，測試結(jié)果準(zhǔn)確。另外，在系統(tǒng)獲得最佳廣義連接剛度時(shí)，系統(tǒng)加載曲線與指令曲線完全重合，明顯消除多余力矩對系統(tǒng)的干擾，為動(dòng)態(tài)測試舵機(jī)性能提供先決條件。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)負(fù)載模擬器；廣義連接剛度；多余力矩；彈性桿

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0069-05

Abstract： A generalized coupled stiffness test system is designed to enhance the dynamic performance and loading precision of electric load simulator aiming at the influence of generalized coupled stiffness on system dynamic response， loading precision and stability. Combined the computing method and influence factors of generalized coupled stiffness， a method determining optimal generalized coupled stiffness by adjusting the stiffness of elastic rod is proposed on the basis of constructing hardware structure and software functions of system. Besides， the extraneous torque， mechanical resonance， dynamic characteristics and other influential factors and the optimal generalized coupled stiffness are quantitatively analyzed. Experimental results show that the test system is fully functional and test results are accurate. Besides， the system load curve and command curve completely overlap when the system obtains an optimal generalized coupled stiffness and the interference of the extraneous torque on the system is eliminated greatly， providing preconditions for the dynamic test of the servo performances.

Keywords： electric load simulator； generalized coupled stiffness； extraneous torque； elastic rod

0 引 言

電動(dòng)負(fù)載模擬器是用來模擬飛行器舵面擺動(dòng)過程中承受的空氣鉸鏈力矩，是為專門測試舵機(jī)性能而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電動(dòng)負(fù)載模擬器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由力矩電機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、彈性桿等組成。由于電動(dòng)負(fù)載模擬器與舵機(jī)之間的連接耦合作用，舵面擺動(dòng)會(huì)對加載系統(tǒng)產(chǎn)生較大的位置干擾[1]。這種干擾作用嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的加載精度，使得加載系統(tǒng)不能精確按照載荷譜曲線輸出力矩[2-3]。系統(tǒng)的廣義連接剛度是力矩電機(jī)剛度、聯(lián)軸器剛度、傳感器剛度、彈性桿剛度等組合而成的等效扭轉(zhuǎn)剛度[4]。在文獻(xiàn)[5]基礎(chǔ)上，本文提出一種通過調(diào)整彈性桿剛度確定最佳廣義連接剛度的方法，并對電動(dòng)負(fù)載模擬器廣義連接剛度進(jìn)行深入的研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)負(fù)載模擬器的廣義連接剛度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由PXI控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡、采集卡、力矩電機(jī)、扭矩傳感器、角度傳感器等組成。為了測試負(fù)載模擬器的廣義連接剛度，設(shè)計(jì)加載模塊和采集模塊的硬件構(gòu)造。在加載系統(tǒng)方面，PXI控制器通過PXI總線與NI運(yùn)動(dòng)控制卡連接，將精確的指令信號傳遞到力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出指定力矩。為了使電機(jī)輸出精確的指定力矩，力矩電機(jī)采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的伺服電機(jī)，不需要機(jī)械傳動(dòng)。在采集系統(tǒng)方面，PXI控制器通過PXI總線與PXIe-6341采集卡連接，傳感器的反饋信號與加載系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，進(jìn)而提高控制精度。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

廣義連接剛度測試系統(tǒng)是基于PXI架構(gòu)和LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件，系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方式，運(yùn)用多線程技術(shù)，采用TDMS數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)大容量高速數(shù)據(jù)的記錄，并且編寫ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)必要的信息。廣義連接剛度測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊和加載模塊等。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是在信號采集時(shí)達(dá)到較高的采樣精度和在信號處理時(shí)使系統(tǒng)采集到的信號比較準(zhǔn)確[5]。由于絕對式光電編碼器不是模擬輸出，而是RS485串口輸出，因此角度的測量是通過串口采集程序?qū)崿F(xiàn)的。如圖3所示，串口采集程序通過LabVIEW提供的VISA節(jié)點(diǎn)編寫，其中包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)模塊等。另外，扭矩采集程序?qū)⒉杉貋砼ぞ匦盘柵c加載系統(tǒng)形成閉環(huán)回路。由于系統(tǒng)受到電磁、噪聲等干擾的影響，使系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中混入干擾信號，從而嚴(yán)重影響測試結(jié)果的真實(shí)性。為了最大限度地消除混入數(shù)據(jù)中的干擾，系統(tǒng)采用了數(shù)字濾波技術(shù)。

2.2 加載控制

在測試負(fù)載模擬器廣義連接剛度之前，為了保證系統(tǒng)的加載精度和安全性，先要測試負(fù)載模擬器可承受力矩的范圍；然后加載系統(tǒng)輸出一定間隔變化的掃頻正弦信號載荷，進(jìn)而測試負(fù)載模擬器頻率特性、時(shí)域特性、位置精度等指標(biāo)[6-7]。如圖4所示，在測試系統(tǒng)廣義連接剛度時(shí)，PXI控制器向加載系統(tǒng)發(fā)出開始加載指令，加載系統(tǒng)收到開始加載指令后控制力矩電機(jī)輸出指定力矩，并同時(shí)向PXI控制器反饋加載啟動(dòng)指令，控制器以該加載啟動(dòng)信號作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的啟動(dòng)觸發(fā)信號，從而實(shí)現(xiàn)在加載的同時(shí)，完成力矩、電機(jī)偏角等待測參數(shù)的采集。

3 廣義連接剛度研究

3.1 廣義連接剛度測試原理

本文提出一種通過調(diào)整彈性桿剛度確定最佳廣義連接剛度的辦法。為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到最佳廣義連接剛度，設(shè)計(jì)電動(dòng)負(fù)載模擬器廣義連接剛度測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)的廣義連接剛度原理為：首先給舵機(jī)輸入為零的位置指令，使其位置固定，然后通過力矩電機(jī)輸出指定力矩，再通過傳感器采集力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和舵機(jī)端旋轉(zhuǎn)角度，按照式（1）求得本系統(tǒng)的廣義連接剛度[8]。

KL=TL/（θm-θd）（1）

式中：KL——系統(tǒng)廣義連接剛度；

TL——加載力矩；

θm——電機(jī)輸出軸的角度；

θd——舵機(jī)端的角度。

3.2 廣義連接剛度影響因素

3.2.1 廣義連接剛度對機(jī)械諧振的影響

電動(dòng)負(fù)載模擬器系統(tǒng)模型可簡化為圖5所示。

可以看出，系統(tǒng)前向通道的開環(huán)頻率特性僅與G5（s）有關(guān)，并且與扭轉(zhuǎn)剛度大小有關(guān)。忽略阻尼系數(shù)Bm，G5（s）可以簡化為

從式（7）可知，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm一定的情況下，系統(tǒng)的機(jī)械諧振頻率ωn隨著扭轉(zhuǎn)剛度TA的增大而增大。為了研究負(fù)載模擬器廣義連接剛度與機(jī)械諧振的關(guān)系，在建立負(fù)載模擬器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過Matlab仿真得出結(jié)果。廣義連接剛度分別為10 N·m/（°）、450 N·m/（°）、1 000 N·m/（°）時(shí)，畫出系統(tǒng)前向通道的伯德圖，如圖6所示。系統(tǒng)廣義連接剛度的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)的諧振頻率和諧振峰值增加，系統(tǒng)機(jī)械諧振造成的影響也隨之增大。因此，應(yīng)使廣義連接剛度盡量大，使得系統(tǒng)的諧振峰值遠(yuǎn)大于負(fù)載模擬器所需的加載頻率，從而避免機(jī)械自激。另外，隨著廣義連接剛度的增加，電動(dòng)負(fù)載模擬器前向通道的帶寬隨之增加，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到提高，系統(tǒng)跟蹤輸入信號的能力變強(qiáng)[9]。

3.2.2 廣義連接剛度對多余力矩的影響

電動(dòng)負(fù)載模擬器對舵機(jī)加載時(shí)，多余力矩是由于舵機(jī)的位置擾動(dòng)產(chǎn)生的附加干擾力矩。為了研究負(fù)載模擬器的廣義連接剛度與多余力矩的關(guān)系，建立了負(fù)載模擬器的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab仿真得出結(jié)果。廣義連接剛度分別為10 N·m/（°）、450 N·m/（°）、1 000 N·m/（°）時(shí)，畫出系統(tǒng)擾動(dòng)通道的伯德圖，如圖7所示。系統(tǒng)的廣義連接剛度的增大導(dǎo)致多余力矩隨之增大，嚴(yán)重影響負(fù)載模擬器的加載精度[10]。因此，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上引入彈性桿來降低系統(tǒng)的廣義連接剛度。

3.3 最佳廣義連接剛度

系統(tǒng)最佳廣義連接剛度的確定要充分考慮廣義連接剛度與機(jī)械諧振、頻帶寬度、多余力矩等因素的關(guān)系。系統(tǒng)的廣義連接剛度越大，加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到提高，并且可以避免機(jī)械自激，但是多余力矩會(huì)隨之增大。通過仿真分析，當(dāng)系統(tǒng)處于最佳廣義連接剛度時(shí)，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)不變性原理設(shè)計(jì)的前饋控制器可以有效地抑制舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起的多余力矩，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[11]。如圖8所示，當(dāng)廣義連接剛度為450 N·m/（°）時(shí)，跟蹤信號與指令信號完全重合，推出此時(shí)系統(tǒng)的廣義連接剛度為最佳廣義連接剛度。

3.4 彈性桿設(shè)計(jì)

電動(dòng)負(fù)載模擬器以力矩電機(jī)作為力矩輸出端，通過聯(lián)軸器、扭矩傳感器、彈性桿等與舵機(jī)機(jī)械連接。由于廣義連接剛度的存在，加載系統(tǒng)與舵機(jī)之間始終存在相對運(yùn)動(dòng)，因此多余力矩不可能徹底消除。為了抑制多余力矩對加載系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)引入彈性桿來降低系統(tǒng)的廣義連接剛度，從而抑制多余力矩對加載系統(tǒng)的影響。但是系統(tǒng)的廣義連接剛度過小，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械自激和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差等不利因素。因此，本文提出一種通過調(diào)整彈性桿剛度確定最佳廣義連接剛度的方法。

若兩種軸并聯(lián)，其整體扭轉(zhuǎn)剛度為

K并=K1+K2（9）

若兩種軸串聯(lián)，其整體扭轉(zhuǎn)剛度為

K串=K1·K2/（K1+K2）（10）

其中K1和K2為兩個(gè)器件結(jié)構(gòu)的剛度。聯(lián)軸器兩端為串聯(lián)，其余為并聯(lián)，根據(jù)式（9）和式（10）可求得系統(tǒng)的廣義連接剛度。根據(jù)表1所示的各部件剛度和最佳廣義連接剛度可計(jì)算得出彈性桿剛度為70 N·m/（°）。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上的分析與結(jié)論，采用本系統(tǒng)對負(fù)載模擬器的廣義連接剛度進(jìn)行測試。定義彈性桿剛度為70 N·m/（°）時(shí)系統(tǒng)是系統(tǒng)（a），更換彈性桿后的系統(tǒng)是系統(tǒng)（b）。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到如圖9所示的廣義連接剛度曲線圖。可以看出，系統(tǒng)（a）廣義連接剛度保持在375 N·m/（°）左右，此時(shí)系統(tǒng)廣義連接剛度的實(shí)驗(yàn)值非常接近其真實(shí)的廣義連接剛度。為了準(zhǔn)確測試出系統(tǒng)廣義連接剛度，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，通過最小二乘法確定系統(tǒng)廣義連接剛度為376 N·m/（°），它與最佳廣義連接剛度相差很大，相對誤差為19.68%。圖10是更換彈性桿后所測得的廣義連接剛度曲線圖，系統(tǒng)（b）的廣義連接剛度為448 N·m/（°），它與最佳廣義連接剛度幾乎相等，相對誤差為0.45%。從實(shí)驗(yàn)效果來看，系統(tǒng)功能完備，測試結(jié)果準(zhǔn)確，而且系統(tǒng)（b）的廣義連接剛度滿足了負(fù)載模擬器的要求。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的最佳廣義連接剛度能否提高負(fù)載模擬器的加載精度和快速性，控制舵機(jī)做頻率為5 Hz的小角度正選運(yùn)動(dòng)，同時(shí)給定幅值為50 Nm和頻率為10 Hz的加載指令信號，采用PID控制器，得到系統(tǒng)的指令曲線和加載曲線，如圖11所示。可以看出，系統(tǒng)（b）加載曲線與指令曲線完全重合，而系統(tǒng)（a）出現(xiàn)了加載精度不高和嚴(yán)重滯后等問題。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的最佳廣義連接剛度克服了由于剛度不高而引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢的問題，并且避免了諧振引起的自激，加載指令與指令力矩的幅差和相差均小于10%，消除了由于舵機(jī)位置改變引起的多余力矩以及非線性干擾，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)。

5 結(jié)束語

針對系統(tǒng)的廣義連接剛度對負(fù)載模擬器的影響，設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)廣義連接剛度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了對負(fù)載模擬器廣義連接剛度的測試工作。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的最佳廣義連接剛度改善了加載系統(tǒng)的力矩輸出，能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，驗(yàn)證了最佳廣義連接剛度對多余力矩的明顯抑制作用，為改進(jìn)電動(dòng)負(fù)載模擬器和動(dòng)態(tài)測試舵機(jī)性能提供參考。

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（編輯：李剛）